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COMPORTAMIENTO SÍSMICO Y ALTERNATIVAS DE
REHABILITACIÓN DE EDIFICACIONES EN ADOBE Y TAPIA
PISADA CON BASE EN MODELOS A ESCALA REDUCIDA
ENSAYADOS EN MESA VIBRATORIA
Luis E. Yamin* , Ángel E. Rodríguez **, Luis R. Fonseca***, Juan C. Reyes****,
Camilo A. Phillips*****
RESUMEN
El presente artículo resume los resultados principales de una investigación tendiente a determinar las
principales características y propiedades mecánicas de los elementos estructurales que conforman las
edificaciones en tierra y a partir de esta información plantear alternativas de rehabilitación sísmica
acordes con las características y entorno de este tipo de construcciones en Colombia. Las medidas de
rehabilitación planteadas que consisten básicamente en reforzamiento con mallas de acero y pañetes a
base de cal y reforzamiento con elementos de madera confinantes, fueron sometidas a un programa
experimental mediante la realización de ensayos sobre probetas sometidas a diferentes tipos de solicita-
ciones, ensayos sobre muros a escala natural sometidos a cargas en el plano y perpendiculares al plano,
ensayos de modelos a escala 1:5 sometidos a la acción de mesa vibratoria y ensayos de viviendas a
escala 1:1.5 sometidas a carga cíclica horizontal. Los resultados de la investigación permiten establecer
las ventajas y desventajas de cada uno de los sistemas de rehabilitación analizados. Se encuentra que, a
pesar de la alta vulnerabilidad sísmica de estos sistemas constructivos, el método de rehabilitación con
elementos de madera confinantes representa una alternativa viable y atractiva para la disminución del
riesgo en este tipo de construcciones.
SUMMARY
This paper summarizes the main results of a research project carried out to determine the main
characteristics and mechanical properties of the structural elements that conform the earth made
constructions, and to propose seismic rehabilitation alternatives according to the seismic hazard and
characteristics of this kind of structures in Colombia. The proposed seismic rehabilitation alternatives
consist of reinforcement with wire mesh covered with lime based mortar, and confining reinforcement
with wooden elements. These alternatives were subjected to a series of tests on small specimens, full scale
walls loaded on both directions, shaking table tests on 1:5 scale models and cyclic horizontal loading on
1:1.5 house models. The results of the research allow to establish advantages and disadvantages for the
Director CITEC y Profesor Asociado de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
e-mail: lyamin@uniandes.edu.co
**
Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail: ed-rodri@uniandes.edu.co
***
Ingeniero Civil, Magíster en Ingeniería Civil, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia. e-mail:lfonsec@uniandes.edu.co
****
Profesor Instructor e Investigador de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
e-mail: jureyes@uniandes.edu.co
***** Profesor de Cátedra e Investigador de Ingeniería Civil y Ambiental, Universidad de los Andes, Bogotá, Colombia.
e-mail: c-philli@uniandes.edu.co
Facultad de Ingeniería
175rehabilitation alternatives studied. Considering the high seismic vulnerability of earth made constructions,
the confining reinforcement with wooden elements was found to be a promising alternative to reduce the
seismic risk of this type of constructions.
INTROD
inalterado posible las características históricas
y culturales de las mismas.
Muchas de las edificaciones del período colo-
nial español, fueron construidas en mamposte- PROPIEDADES l^iti^a;NIC.AS DE LOS
ría de adobe y/o tapia pisada. Los materiales ATERIAI,ES
para la construcción de las iglesias y de las ca-
sas de la época se limitaron generalmente a los
Se realizó una caracterización general de las
que estaban disponibles en la región y trabaja-
propiedades mecánicas de los materiales utili-
dos comúnmente por artesanos locales. Como
zados en las construcciones en tierra en rela-
consecuencia de su edad, diseño y funciones,
ción al peso y a la resistencia ante diferentes
los edificios de adobe y tapia son estructuras
solicitaciones de esfuerzos actuantes. Se ade-
de tipo histórico v de legado cultural significa-
lantaron ensayos de caracterización sobre
tivo dentro de las comunidades, La alta vulne-
probetas a escala natural y sobre probetas a
rabilidad sísmica de estas herencias arquitec-
escala reducida 1:5, En la O se resumen las prin-
tónicas ha sido claramente identificada, tanto
cipales propiedades mecánicas encontradas a
que muchas de estas han sido reparadas o re-
partir de las probetas a escala real y a escala
construidas varias veces en el mismo sitio de la
reducida,
destrucción de la estructura precedente por un
terremoto, En diversos terremotos ocurridos
en el mundo, estructuras construidas con di-
chos materiales han demostrado tener un mal
comportamiento, colapsando en forma muy
rápida, incluso ante los sismos moderados, lo
que generalmente provoca la muerte de sus
ocupantes y grandes pérdidas económicas, cul-
turales y patrimoniales.
La reducción de la vulnerabilidad sísmica de
edificios históricos y culturales involucra con-
sideraciones adicionales a los procesos de re-
habilitación de edificios convencionales, tales
como la necesidad de mantener lo más
ira 1f E .vio de tracción diagonal - muretes a
escala 1.)
Libia 1. opiedades m eccí. icas de los materiales es l =.adiados
Escala 1:5
Parámetro Unidades
Adobe
Densidad
Módulo de Elasticidad kgf,/cm2
Módulo de Ri;_idez 315 179
Resistencia a Comresión
Resistencia a Cortante
Resistencia a Flexión 0.23
modelada
iJ . I v_ ^ S I D F. C .^ ^. C7 S A NDES
176Como se puede concluir de los resultados que minimización de intervención del sistema es-
se presentan, las propiedades mecánicas prin- tructural existente y uso de materiales econó-
cipales de los materiales no varían significati- micos de fácil consecución e instalación. La
vamente en función de la escala de las probetas primera de ellas consistente en el reforzamiento
excepto en los casos en que el peso propio del con malla y mortero de cal en sitios estratégi-
espécimen comienza a afectar los resultados. cos de la edificación. Esta alternativa está ba-
En dichos casos resulta claro que las resisten- sada en amplios desarrollos de investigación en
cias medidas en los modelos a escala reducida países como Perú (Zegarra, 2001). La segunda
presentarán en general valores mayores que los alternativa seleccionada consiste en el
correspondientes a em. ala real. reforzamiento mediante elementos confinantes
de madera, la cual esta basada en trabajos de
NATIVAS DE L1fiAC':t1N GIS iCA investigación adelantados en el Centro de In-
vestigación y Desarrollo Tecnológico, C1TEC,
Considerando la alta amenaza sísmica a la que de la Universidad de los Andes.
están sometidas las edificaciones de adobe y
tapia en Colombia y su gran vulnerabilidad ante Reforzamiento con malla y mortero de cal
eventos de este tipo, es necesario desarrollar
alternativas de reforzamiento o rehabilitación Esta técnica consiste en instalar malla
cine tengan en cuenta no solo los aspectos téc- electrosoldada por franjas horizontales y verti-
nicos relacionados con el comportamiento del cales (simulando vigas y columnas de confina-
material y del tipo constructivo sino las condi- miento, respectivamente) en las zonas críticas
ciones socioeconómicas v las características his- de la vivienda. La malla se sujeta a la pared
tóri co culturales de estas edificaciones. Se pre- mediante clavos y tapas de gaseosa cada 30 cm
tende entonces preservar al máximo la arqui- y se instala tanto en la parte externa como en
tectura original, utilizando en lo posible mate- la interna del muro, Adicionalmente se propor-
riales similares o compatibles con los origina- cionan anclajes o conectores que atraviesan el
les, tratando de conservar el aspecto general muro a espaciamientos aproximados de 50 cm
de la vivienda y sus terminados. Las alternati- en las dos direcciones. Estos conectores están
vas de reforzamiento que se estudian en la pre- compuestos por alambre de 8 mm colocado en
sente investigación tienen por objetivo dismi- orificios previamente perforados los cuales se
nuir el riesgo sísmico al que están sometidas rellenan con mortero de cal y arena en propor-
este tipo de edificaciones, Se pretende enton- ción 1:2. Posteriormente la malla se recubre
e evitar el colapso de la edificación durante con mortero de cal y arena con el mismo
erremoto con el fin de salvaguardar la vida proporcionatniento. Se pretende con esta me-
ele los ocupantes. Adicionalmente se pretende dida evitar la inestabilidad lateral que se pre-
también minimizar las pérdidas económicas senta de forma súbita en viviendas no reforza-
asociadas generalmente a personas de bajos re- das cuando se agrietan durante la ocurrencia
cursos económicos. Las medidas propuestas del terremoto.
están dirigidas principalmente a la rehabilita-
ción de viviendas existentes y no a la construc- Esta propuesta de reforzamiento se ha estu-
ción de nuevas viviendas de construcción diado ampliamente en el Perú, México y otros
sismorresistente, países. La técnica se basa principalmente en los
resultados del proyecto «Estabilización de las
Luego de una amplia revisión bibliográfica, in- construcciones de adobe existentes en los paí-
vestigación y análisis sobre el comportamiento ses andinos» desarrollado por el Centro Regio-
de este tipo de edificaciones, se seleccionaron nal de Sismología para América del Sur
dos alternativas de rehabilitación que cumplen (Ceresis) y la Pontificia Universidad del Perú.
con los criterios de facilidad constructiva, En la bibliografía consultada (Zegarra, 2001 y
Facultad de I ngenleria
1 77Universidad de los Andes, 2002) se describe có a uno de los modelos de adobe a escala re-
en mejor detalle este tipo de rehabilitación que ducida (1:5) en estudio, como se presenta en
ha demostrado sus cualidades en algunos even- la Figura 2.
tos sísmicos recientes. Esta alternativa se apli-
Figura 2. Retomar rienro con malla y mortero
Reforzamiento con elementos confinantes en Horizontalmente deben colocarse elementos
madera cerca a la base de los muros y cerca a la losa de
entrepiso y a distancias verticales que no de-
Esta alternativa consiste en instalar elementos ben sobrepasar en principio los 2.0 m. En el
de madera en el plano del muro, por las dos sentido vertical deben colocarse elementos
caras simultáneamente e interconectarlos en- confinantes cerca de las uniones o interseccio-
tre sí mediante pernos pasantes cuyo orificio nes con otros muros perpendiculares, alrede-
previamente perforado se rellena con mortero dor de aberturas de puertas y ventanas, y a dis-
de cemento. La ubicación y las dimensiones de tancias horizontales de máximo 3.0 m. Los ele-
los elementos de madera serán variables según mentos verticales y horizontales deben
el diseño específico del muro, Sin embargo a interconectarse siempre entre sí mediante per-
continuación se plantean unas especificaciones nos pasantes de de pulgada colocados en el
I A
mínimas tentativas. centro del punto de intersección. Además, los
elementos horizontales de muros ortogonales
Los elementos de madera confinantes para vi- deben conectarse entre sí mediante conectores
viendas de uno y dos pisos a escala real debe- metálicos tipo platina de '% con la forma de la
rán tener una dimensión mínima de 15 cm x 2 esquina.
cm y deben instalarse tanto en sentido hori-
zontal como en sentido vertical. Para su insta- Dicha conexión debe realizarse tanto en la cara
lación se recomienda abrir regatas con las di- interna como en la externa. La platina de co-
mensiones de la madera en los muros de adobe nexión debe estar anclada al muro y a los ele-
y/o tapia o de un espesor ligeramente superior mentos de madera mediante pernos pasantes
con el fin de «pañetar» posteriormente el ele- de Vi de pulgada. Todos los elementos de ma-
mento de refuerzo para conservar la apariencia dera confinantes deben estar firmemente an-
original del muro. La madera será como míni- clados al muro mediante pernos tes de `A
mo de la Clase C según el Título G de la NSR- de pulgada cada 50 cm, cuyo .cr ° c .o previa-
98. mente perforado debe inyectarse con mortero
UNIvLRSIDAD DE LOS ANDES
1 78de cemento, mínimo del tipo S dado en el Tí- MODELACIÓN ExPERi ^
tulo D de la SR-9S.
Especinienes para ensayo
Además, todas las maderas utilizadas en el
reforzamiento de muros en tierra serán atrave- Se diseñaron y construyeron una serie de mo-
sadas con puntillas colocadas cada 15 cm con delos de viviendas a escala 1:5 para ser someti-
el fin de garantizar una superficie de contacto dos a ensayos de excitación en la base median-
rugosa con tos muros de tierra, garantizando te mesa vibratoria. Se realizaron un total de
así la compatibilidad de deformaciones entre cuatro (4) modelos, tres de un solo nivel y uno
los dos materiales. de dos niveles. Tres de los modelos se constru-
yeron en adobe, implementando en dos de ellos
Cuando el muro presente aberturas tales como las alternativas de reforzamiento en estudio. El
ventanas o puertas se deben colos:ar° elementos cuarto modelo de dos niveles se construyó en
confinantes de madera en dirección vertical a tapia pisada y se reforzó con elementos
lado y lado del hueco. Estos elementos deben confinantes de madera.
prolongarse en lo posible hasta las losas de en-
trepiso superior e inferior en el piso sujeto a Los ensayos en mesa vibratoria se utilizan prin-
reforzamiento o hasta los elementos de made- cipalmente para identificar formas de falla ca-
ra horizontales más cercanos, racterísticos y para analizar el posible efecto
de las medidas de rehabilitación en forma com-
Cuando esta alternativa de rehabilitación se parativa con los modelos sin ningún tipo de re-
aplique sobre muros de tapia pisada deben fuerzo. Las características de cada uno de los
rellenarse los agujeros dejados por las agujas model ; se resumen en la O.
(formaletas de .instrucción) con mortero de
cal v arena. Ad. . , •e deben clavar cunas de
madera sobre el mortero para garantizar un-
adecuada adherencia. Este tipo de refuerzo fue
aplicado a dos modelos, uno en tapia y el otro
en adobe. En la Figura 3 se muestra la aplica-
ción de este esquema de rehabilitación a uno
de los modelos a escala reducida,
Figura 3. Refuerzo con maderas confinante
Facultad de Ingenieria
179de a una señal sintética generada a partir de un
registro del sismo de Tauramena de 1995 (Es-
tación el Rosal). Este sismo corresponde a una
señal característica que puede llegar a presen-
tarse en Bogotá en terreno firme para un sismo
que se genere en la falla frontal de la Cordille-
ra Oriental de Colombia.
La señal introducida al sistema de la mesa
vibratoria, se especifica en términos de histo-
ria de desplazamientos y se determinó mediante
Figura 4. l ode os constri os a. escala 1:5. integración directa de la señal de aceleración
sintética,
Tabla 2. Características de modelos ensayados
Carga ve rt ical
ModeloNo. No. de pisos Material Tipo de Refuerzo Dimensiones
(kg)
Ancho: 60 cm
i 1 !adobe Sin refuerzo Largo: 60 cm 35 (cubierta)
Alto: 90 cm
Ancho: 60 cm
11 1 Adobe Madera Largo: 60 cm 35 (cubierta)
Alto; 90 cm
Ancho: 60 cm
Ili 1 Adobe Malla Largo: 60 cm 35 (cubierta)
Alto: 90 cm
Ancho; 60 cm
35 (cubierta)
IV 2 Tapia Pisada Madera Largo: 60 cm
45 (entrepiso)
Alto: 150 cm
Procedi ato c Ensayo
La modelador, a escala reducida genera princi-
Con el fin de conservar las leyes de la palmente un cambio en las características di-
modelación a escala se hace necesario aplicar námicas del modelo por cuanto que a pesar de
sobrecargas artificiales a nivel de la cubierta y generar un escalamiento geométrico uniforme,
de entrepisos intermedios cuando existente. las propiedades de los materiales se mantienen
Para el presente caso, el escalamiento obliga a prácticamente inalteradas (ver Tabla 1). Al no
la aplicación de una sobrecarga a nivel de la conservarse el periodo de vibración fundamen-
cubierta de 35 kgf. Aún así, resulta imposible tal del modelo, se hace necesario escalar el eje
modelar la fuerza inercia] directa sobre las pa- del tiempo de la señal de entrada, para mante-
redes de la edificación ya que sería necesario ner la similitud en la fuerza dinámica de exci-
incrementar artificialmente la masa de los tación.
muros con un factor de 5, Por estarazón, el
ensayo de estos modelos a escala reducida re- caso, dado que el factor de escala
presenta, en este caso, un análisis cualitativo geométrico es de 5 y que no se puede aumen-
principalmente y que debe usarse de manera tar la masa del modelo con el fin de simular las
comparativa entre diferentes especimenes con fuerzas inerciales, el factor de escala del tiem-
diferentes configuraciones. po aplicado es igual a 5. De esta manera, el
movimiento dinámico de estas pruebas dura un
Todos los modelos fueron sometidos a la señal poco más de 15 segundos, que es equivalente a
que se presenta en la Figura 4, que correspon- 75 segundos en el dominio del prototipo.
U H,.I ID A D. - -.. O; A f i .- ,.
180o,.^;. ^k.. los modelos se colocaron sobre la mesa
vibratoria a un ángulo de 45 0 con respecto a la
dirección de aplicación de la señal sísmica, de
tal manera que la señal llegue a cada muro de
la edificación en un sentido diferente al de sus
ejes principales.
Figura 5. Solicitación sísmica empleada (Registro
La instrumentación de cada uno de los mode-
sintético sismo de Tauramena, 1995)
los consistió en la colocación de acelerómetros
a nivel de la cimentación (mesa vibratoria),
Cada modelo fue sometido a una serie de si- entrepiso y cubierta, y transductores de des-
mulaciones del movimiento sísmico seleccio- plazamiento en las dos direcciones principales
nado. Esto se hizo escalando la señal de entra- del modelo a nivel de entrepiso y cubierta.
da, iniciando desde 0.05 g e incrementando
cada 0.05 g hasta llegar a la amplitud que con- Resultados de los ensayos
lleve al colapso del modelo. La aceleración
máxima del registro varía de esta forma desde En las Tablas 3 a 6 se presenta una descripción
un valor de 0.05 g hasta un valor máximo de cuantitativa v cualitativa del comportamiento
2.0 g o hasta que se presentara la falla del es- observado en cada una de las etapas del ensa-
pécimen. yo. Se indica en cada caso el desplazamiento
máximo en la base, la aceleración máxima co-
Con el fin de tener en cuenta los efectos rrespondiente y una breve descripción de los
ortogonales del sismo en una edificación real, efectos de dicha excitación en cada uno de los
modelos.
Tabla 3 Secuencia del ensayo - F'ivie^;
Escala Desp. Aeel. máx.
Prueba
% de % de máximo en la base Observaciones Fotografía de la falla
No
Tiempo Desp. (mm) (g)
1 20 /i 1% 0.37 0. 5 No dañ o
2 20% 5% 1.85 0.25 Fisuras muy pequeñas
3 20% LO la 3.70 0,50 Fisuras claramente definidas
Desarrollo del sistema de
4 20% jc 5 .55 Q 75
li suras
5 20% 20% 7.40 1.t?0 Aumento del tamaño de fisuras
Desprendimiento de bloques
b 20% 25% 9.25 1.25
e^ uenos
sprendimiento de bloques
7 20% 35% 12,95 1.75
considerables
Caída de cerca del 50 ^ de
8 20% 40% 14.80 2.00
muros
} Perdida de mas del 60% de
9 ©% 40 14 80
` muro s
21}{1 Colapso de la edificación por
10 20% 40% 14,80
falta de apoyo
Facultad de Ingeniería
181Tabla 4, Secuencia del ensayo - Vivienda II
Escala Desp. Acel. nuíx.
Prueba
Prue
% de % de máximo en la base Observaciones Fotografía de la falla
No
Tiempo Desp. (mm) (g)
1 209e 1% 0.37 0.05 No daño
2 20% 5% 1.85 0.25 Fisuras muy pequeñas
3 20% 109n 3.70 0.50 Fisuras claramente definid.:-
4 209. Desarrollo del sistema de
1 5 90 5.55 0.75
lisuras
5 209c 2051 7.40 1.00 Aumento del tamaño de fisuras
6 20i 25 r: 9.25 Desprendimiento de bloques
1.25 peluches
DIE 30% 11.10 Agrietamiento mareado en
1.50
mu ros
8 20{7n 3590 12.95 1.75 C aída de un lado de la cubierta
9 2í190 351 12.95 1,75 Cola so tata'. de la cubierta
10 14.80 Caída esquinas superiores de
20% 1:11 2.00 Fb
muro s
F alla de culatas y maderas que
II 40% 120% 44.40 1.50
la confina
Ta1=1cI^.S cia del ensayo Vivienda III
escala Desp. Acel.
Prueba
% de % de máximo en la base Observaciones Fotografía de ^a falla
No
Tiempo Desp. I (g)
t 211 0.37 0.05 No daño
2 2` 5% 1.85 0.25 Fisuras rutty pequeñas
3 .or 10`ié: 3.70 0.50 Fisuras claramente definidas
0 75 Aumento del tamaño de
4 20 K> 15% 5,55
fisuras - V rietas
Formación completa de
5 20% 20% 7.40 1.00
etas dta^oaaleS 1
Desprendimiento de mortero
b 20En la Tabla 7 se presenta un resumen de los el estado fisurado. Estos parámetros se obtie-
resultados principales, Se incluye la acelera- nen a partir de los registros de aceleración y
ción máxima para la cual se genera el primer desplazamiento, tomados en los diferentes in-
agrietamiento significativo, la aceleración máxi- crementos de carga. El periodo se obtiene di-
ma del registro y el desplazamiento caracterís- rectamente de la función de transferencia en-
tico en el cual se presenta el colapso. Adicio- tre el registro en cubierta y el de cimentación
nalmente se indica el rango de períodos de vi- mientras que el amortiguamiento se obtiene
bración natural al igual que el rango de mediante el método del decremento
amortiguamientos medidos. El rango de medi- logarítmico de la señal libre. Finalmente se in-
ciones incluye el estado no fisurado al igual que dica el tipo de falla y el mecanismo de colapso.
Tabla Í indos de 6112,tvos de . a con cargos sísmicas
Desplazamiento Rango : Y: nodos
Aa Aa
max. en la base de vibración
agrietamiento colapso (%) Mecanismo de colapso
para colapso (elástico a asurado)
(g) (g) (mm) (seg)
Falla frágil de muros. Falla
0.4 2.0 14.8 0.06 - 0.12 2.8 - 3.4
Catastrófica. Colapso total.
Falla de cubierta y parte superior
0.5 1,5 44.4 0.05 - 0.09 2-a 'a2 de muros. Falla progresiva. No hay
colapso total
Falla en la unión entre muros, falla
0.5 1.5 44.4 0.05 - 0.10 3,0 - 3,5 de malla y volteo del muro. Falla
catastrófica retardada.
Falla de muros de primer piso.
Reforzamiento y segundo piso
0.5 2.0 55.5 0,093 - 0,13 2,7 - 3.1
intactos.
Falla catastrotaca retardada
pretación de resultados de disipación de energía. El sistema prolonga
la vida de la estructura durante el terremoto y
Los resultados obtenidos permiten en primera retarda la ocurrencia del colapso. A pesar de
instancia ratificar la alta vulnerabilidad sísmica esto el mecanismo de colapso corresponde al
de las construcciones en tierra, aún luego de de una falla catastrófica con riesgo alto a la vida
verse sometidas a los tipos de rehabilitación de los ocupantes.
seleccionados en el presente estudio. Las fa-
llas se producen por la falta de conexiones Por otro lado la alternativa rehabilitación basa-
monolíticas entre de bloques de la estructura da en elementos confinantes de madera para
los cuales tienden a separarse por la genera- edificaciones de un piso presenta igualmente
ción de grietas que normalmente van desde las una mejor ductilidad y características genera-
esquinas o puntos de concentración de esfuer- les de disipación de la energía. El colapso en
zos hasta las aberturas de puertas o ventanas. este caso correspondió al colapso de la cubier-
Estos sistemas tienden a presentar en general ta ya que los muros mantuvieron su consisten-
colapsos súbitos generando fallas catastróficas. cia y estabilidad global a pesar de no haber co-
locado elemento longitudinal de confinamien-
La alternativa de rehabilitación basada en ma- to en la corona de las culatas. El sistema evi-
llas de refuerzo adosadas a los muros existen- dencia menor riesgo a la pérdida de vida de los
tes y recubiertas con morteros de cal propor- ocupantes y variación importante en el meca-
ciona claramente una mayor ductilidad al sis- nismo de colapso esperado. En dicho caso debe
tema con lo cual se mejoran las características realizarse la consideración de que la falla pue-
Facultad de Ingeniería
183de no presentarse en la estructura de soporte que ante la falta de un confinamiento efectivo
sino también en la estructura de cubierta la cual conlleva a la falla en las esquinas de los muros
debe igualmente someterse a una revisión des- del primer nivel y el consecuente colapso ca-
de el punto de vista estructura. tastrófico por efectos de volcamiento. A pesar
de la falla la edificación manifiesta cierta duc-
Finalmente la construcción en tierra de dos tilidad y capacidad de deformación cíclica que
pisos reforzada con elementos confinantes de retarda la conformación del mecanismo final
madera presenta altos niveles de de colapso.
deformabilidad y un comportamiento muy si-
milar al observado para el modelo equivalente A continuación se presenta un registro foto-
de un piso. Sin embargo los altos esfuerzos de gráfico de los mecanismos de falla y colapso en
flexión producen en este caso sobre la tapia cada una de las estructuras ensayadas (Figuras
pisada altos esfuerzos cíclicos de compresión 6, 7, 8 y 9).
Figura 7. Gri etas á ño mar eados - Viniendo II
8. Detalle de Brie; ; principales V' ienc' III
UN , E , ^^, DE LOS ANDES
184rietas y deterioro de pri, er r: "vel — Vivienda
ti IV
N ANALÍTICA Generalización del comportamiento del ma-
terial
Mediante la realización de modelos elásticos
de las estructuras, se pueden estimar los nive- El comportamiento observado de los materia-
les de esfuerzos existentes en los diferentes les en estudio permite proporner la utilización
elementos estructurales de la vivienda previa- de modelos bilineales para efectos de una
mente a la degradación de la rigidez que se pre- modelación analítica aproximada. El compor-
senta con la aparición de zonas de agrietamien- tamiento bilineal estaría caracterizado por dos
to generalizadas. Los modelos se utilizan prin- puntos básicos que son el de agrietamiento
cipalmente para establecer comparaciones en- inicial (punto en el cual se presenta un cambio
tre las diferentes configuraciones de viviendas de rigidez significativo en el sistema) y el pun-
y para estudiar de manera analítica la inciden- to de resistencia última. Con base en los resul-
cia del refuerzo en cada caso o el posible efec- tados de los ensayos de propiedades para cada
to de alternativas de rehabilitación. material se proponen las propiedades del ado-
be y la tapia indicadas en la Tabla 8 para efec-
tos de la modelación analítica. El modulo de
elasticidad para la madera se torna igual a
130.000 kgf,/cm2.
Módulo elástico Esfuerzo Esfuerzo Deformación Deformación
Densidad Horizonte
Material estático grietamient i último agrietamiento última
(Ton/m') de esfuerzos
(k: cm 2) (k_ cm2) (t cm2) % %
Co ón 1150 i0 1.00 1.50
Cortante 300 0.15 0.6 0,14 1.2
Adobe 1.90
Tracción
1150 0.10 0.21 0.17 1.40
indirecta
800 3,0 6 0.34 0.7
300 0.22 0.5 0.45
T apia 1.90
Tracción
800 0.20 0.26 0.36 1.50
indirecta
Tabla 8. Propiedades brisicas os materiales supuestas para e nalisis
Teoría de falla en el esfuerzo principal de compresión y en el
esfuerzo cortante resistente, determinados a
Con el fin de comparar los esfuerzos actuantes nivel de agrietamiento en ensayos de compre-
dados por el modelo analítico con los esfuer- sión simple y en ensayos de tracción diagonal
zos resistentes del material de adobe o tapia se de muretes. Esta teoría conocida como criterio
utiliza una teoría de falla del material basada de falla de Mohr, puede representarse mediante
r ac.ültad de Ir:.ier_iera
185un diagrama de esfuerzos principales (s, vs. s3), elementos tipo Shell para modelar este tipo de
tal como se muestra en las Figuras 10 y 1 para refuerzo. El modelo incluye la cubierta y las
el adobe y la tapia respectivamente. masas asociadas al peso propio de los elemen-
tos estructurales principales y entrepiso, lo cual
representa la totalidad de la masa de la edifica-
ción. Las propiedades de los materiales se se-
leccionaron de acuerdo con las recomendacio-
nes dadas anteriormente. En la Figura 12 se
presenta un esquema general de los cuatro
modelos desarrollados. Para comparar el com-
portamiento analítico del modelo IV con un
modelo equivalente sin refuerzo se plantea en
forma hipotética el modelo V, equivalente al
IV pero sin refuerzo.
Figura lo. Diagrama de criterio de falla de Mohr
para adobe
^
Modc'o I Modelo II
Modelo III Modelo IV
Figura 12. Modelos analíticos de viviendas a esca-
Figura 11. Diagrama de criterio de falla de Mohr la 1:5
para tapia
Descripción del modelo de análisis Resultados del modelo de análisis
Para cada uno de los modelos experimentales En la Tabla 9 se presenta la comparación del
de vivienda a escala reducida 1:5, se desarrolló periodo fundamental de vibración analítico de
un modelo analítico elástico utilizando el pro- cada modelo con el obtenido experimentalmen-
grama SAP2000 (C.S.I Inc, 2002). Para el efec- te.
to se utilizaron elementos finitos tridimensio-
nales tipo Solid para modelar muros y elemen-
tos tipo Frame para modelar vigas y refuerzos.
En el caso del refuerzo con mallas se utilizaron
UNIVERSID Fi C DE LOS ANDE
186Tabla 9. Períodos fundamentales modelos de vivienda
No. de Período fundamental
Modelo Material Tipo de Refuerzo
Pisos Experimental Analítico
Adobe Sin refuerzo 0.06 0.06
Adob d a 0.05 0.05
Adob 0.05 0.05
2 Tapia pisada adera 0.09 0.11
2 Tapia pisada Sin refuerzo N.A. 0.15
En las Figuras 13 a 16 se presentan distribucio-
nes características de esfuerzos críticos en cada
uno de los modelos en estudio, ante la una so-
licitación en la base de 0.5 g.
En el modelo de vivienda I (Figura 13), el cual
no posee refuerzo, se observa esfuerzos princi-
pales mínimos del orden de -0.2 a -0.8 kg;
cm' y máximos del orden de 0.1 a 0.36 kg/
cm'. Estos últimos exceden la capacidad del
material y por esto fácilmente se fisura. Se
observa que los máximos esfuerzos se presen-
tan en las esquinas de la base de muros. Una Figura 14. Distribución de esfuerzos máximos vi
viendo tipo I1
concentración de esfuerzos en las esquinas de
puertas y ventanas es notoria. En los muros a
nivel de dinteles, se observa un cambio de es-
fuerzos máximos, lo cual indica una concen-
tración de esfuerzos cortantes correspondien-
te a una fisura horizontal en los modelos expe-
rimentales.
Esfuerzos en 1.: ,,:oros Esfuerzo cortante en is malla
F'igara 1. Distribución de esfuerzos máximos vi-
vienda tipo III
En el modelo de adobe reforzado con madera,
Vivienda II, (Figura 14), se observo una peque-
ña disminución en el valor de los esfuerzos,
comparada con el modelo sin reforzar. Las par-
tes del muro en donde confina la madera se
aprecia una reducción de esfuerzos, especial-
Figura 13. Distribución de e os m á ximos vi-
rienda tipo 1
mente esfuerzos de tensión. Además, los ele-
mentos de refuerzo unen partes importantes
de concentración de esfuerzos, uniendo las
posibles grietas. Se observa en este modelo, que
los esfuerzos principales mayores se encuen-
Facultad de Ingeniería
187trae en esquinas inferiores, lo cual genera de- sentara puntos de altas concentraciones de es-
terioro anticipado de estas y concentración fu, rzos en las esquinas de marcos de puertas y
posterior de esfuerzos a niveles superiores, ventanas del primero y segundo nivel. Las in-
como se evidencia en el modelo experimental. tersecciones de los muros de primer nivel es-
Además del efecto anterior, los elementos de tán sometidas a esfuerzos principales conside-
refuerzo generan un aumento significativo en rables de tensión, generados en gran parte por
los esfuerzos admisibles de los materiales, tan- esfuerzos de corte, lo cual conlleva a la falla de
to por los efectos confinantes como por el efec- estos elementos.
to de refuerzo directo.
En el modelo de refuerzo con malla, Vivienda
III (Figura 15), se observa una disminución sig-
nificativa de esfuerzos en todos los muros de la
edificación. Se presentan esfuerzos máximos
del orden de 0.18 kg/cm'. De esta forma se
presentan fisuras únicamente en esquinas o din-
teles de puertas, donde se concentran esfuer-
zos máximos superiores a lo admisibles. En este
caso, el refuerzo en malla y mortero de cal,
toma gran parte del esfuerzo de los muros ge-
nerado por las fuerzas sísmicas, transformán-
dolo en esfuerzos de tensión y de corte princi- 0® Distri 7 ion de es erzos rncixirrtos vi-
palmente (Figura 15). La base de los muros viend,i tipo 1V
confinada por malla también presenta concen-
traciones importantes de esfuerzos lo cual con-
forma en últimas el mecanismo de colapso ob-
servado en los experimentos.
La vivienda IV, de dos niveles reforzada con
madera (Figura 16), en comparación con la
Vivienda V de referencia, evidencia una dismi-
nución leve de esfuerzos. Esto se debe en gran
parte a que en esta construcción predominan
los esfuerzos de flexión, para lo cual los ele-
mentos de madera resultan mucho más efecti-
vos. Al igual que en los casos anteriores el prin- FiguraI7. Distribución de e erzos mcáxii .os
cipal efecto se traduce en un aumento en los viendo tipo V
esfuerzos admisibles del material producidos
por el confinamiento y por el refuerzo directo
generado, CONCLUSIONES `t RECOMENDACIONES
En el modelo de vivienda V, en tapia, sin refor- Con base en los resultados experimentales y
zar, (Figura 17), se observa una alta concentra- analíticos encontrados se pueden establecer las
ción de esfuerzos en el primer nivel, debido en siguientes conclusiones generales:
gran parte a la flexión generada en la construc-
ción por efecto de las fuerzas sísmicas latera- Las viviendas de adobe y tapia representan
les. Los esfuerzos principales máximos son del construcciones de alta vulnerabilidad sísmica
orden de 0.1 a 0.8 kg/cm2 . Igualmente se pre- principalmente asociada a la falta de resis-
UsIvE SIDAD D_ LOS ANDES
188tencia a la tensión de los materiales, a la po- Por esta razón las cubiertas deben, en gene-
bre calidad de las construcciones y a la falta ral, someterse a reforzamiento, especialmen-
de consideraciones básicas tales como ama- te en las zonas de los apoyos sobre los mu-
rres, confinamiento, continuidad y otras. ros, en los anclajes y las uniones de continui-
dad.
• Las medidas de rehabilitación estudiadas
mejoran sensiblemente el funcionamiento AGRADECIMIENTOS
sísmico, por cuanto proporcionan continui-
dad estructural, previenen inestabilidad y Los autores desean dar gracias a las entidades
proporcionan confinamiento para reducir o participantes del presente proyecto:
retardar las dislocaciones relativas de las sec-
ciones de paredes agrietadas. Corporación la Candelaria, Centro de Investi-
gaciones y Desarrollo Tecnológico, CITEC,
• Las medidas de rehabilitación propuestas se Universidad de los Andes, Centro de Investi-
pueden utilizar con eficacia para disminuir gación en Materiales y Obras Civiles, CIMOC,
el riesgo sísmico a que están sometidas las Universidad de los Andes y al Fondo de Re-
viviendas de adobe y tapia. A esto se asocia construcción del Eje Cafetero, FOREC.
una disminución en el riesgo de pérdida de
vidas, reduciendo igualmente la probabili- REFERENCIAS
dad de derrumbamiento catastrófico, con un
impacto limitado en la parte histórica del AIS - Asociación Colombiana de Ingeniería Sísmica, «Es-
edificio intervenido. Sin embargo, las alter- tudio General de Amenaza Sísmica de Colombia». Santa
nativas estudiadas no permiten aún garanti- Fe de Bogotá, octubre de 1996.
zar la no ocurrencia de muertes. Bariola J y Vargas J., «Earthquake Resistance Provisions
for Adobe Constructions in Peru» 1988.
• La modelación analítica tridimensional con- Corporación la Candelaria y Universidad de los Andes
juntamente con una teoría de falla acorde «Estudios de vulnerabilidad sísmica y alternativas de re-
con el comportamiento observado del ma- habilitación para edificaciones en adobe y tapia pisada».
terial permiten estimar cargas y deformacio- Bogotá, 2002.
nes admisibles y resistentes para diferentes CSI Inc. «SAP 2000, Three Dimensional Static and
configuraciones de viviendas para efectos del Dynamic Finite Element Analysis Structures. Computer
Applications for Structural and Earthquake Engineering».
diseño del reforzamiento. California, 2002.
Euscatigue M., Torres T., «Advances in Seismic Research
• La alternativa de reforzamiento basada en of Adobe Houses». 1993.
elementos confinantes de madera parece
Harris H., Sabnis G., «Structural modeling and experi-
presentar ventajas comparativas con respec-
mental techniques». 2a edición, CRC Press. Florida - USA,
to a la alternativa basada en malla y pañete 1999.
de mortero con cal. Esta y otras alternativas
Hernández O., «Evaluación Experimental de procedimien-
deben estudiarse en modelos a escala natu- tos para reforzar vivienda de adobe y hacerla resistente
ral para eliminar la incertidumbre asociada a ante la acción sísmica». 1983.
la modelación a escala. Minke G., «Manual de construcción para viviendas
antisísmicas». Universidad de Kassel, Alemania, 2 a Ed.
• Las cubiertas evidencian en general un alto 2001.
grado de vulneraba' dad, por cuanto a pesar NICEE Org, Manual NICEE (Internet www.nicee.com).
de lograr la estabilización de los muros, los NSR-98, «Norma Colombiana de Diseño y Construcción
movimientos fuertes siguen generando el co- Sismo Resistente». Ley 400 de 1997, 1998.
lapso de la estructura de cubierta con el con-
secuente riesgo a la vida de los ocupantes.
Facultad de Ingeniería
189Ottazi G., Yep J., «Ensayos de Simulación Sísmica de Vi- Scawthorn C., «Dynamic Test of Adobe building model».
viendas de Adobe». 1989. 1985.
Ottazi G., Yep J., «Shaking Table Tests of Improved Ado- Tolles L., Kimbro E., «Seismic Stabilization of Historic
be Masonry Houses». 1988. Adobe Structures». 2000.
Rodríguez A., Fonseca L., «Comportamiento sísmico y al- Vera R., Albiter A., «Seismic Capacity and retrofiting of
ternativas de rehabilitación de edificaciones en adobe y Adobe Construction». 2000.
tapia pisada con base en modelos a escala reducida ensa-
yados en mesa vibratoria» Tesis de Maestría en Ingeniería Zegarra L., Giescke A., «Reconditioning of existing ado-
be housing to mitigate the effects of earthquakes». 1993.
Civil, Estructuras y Sísmica, Universidad de los Andes.
2003. Zegarra L., San Bartolomé A., «Manual Técnico para el
reforzamiento de las viviendas de adobe existentes en la
costa y la sierra». 2001.
UNIVERSIDAD DE LOS ANDES J
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